淺談天然氣水合物預防措施及應對

隋迎章 高偉 馬婕

摘 要：勝利油田氣層氣經過多年的開發，已形成了一定的規模。天然氣作為一種安全、穩定、清潔、高效的新型能源，在油田的內外用氣中起到了重要的補充和調節作用。天然氣水合物的形成是影響天然氣生產與管理的重要問題。水合物對天然氣的開采、技術和加工都有著不同程度的影響。本文概述了天然氣水合物的生成條件，分析了天然氣水合物的形成對站內安全生產運行的危害，介紹了水合物防治和處理的方法，從而降低其對油氣田生產和天然氣輸送的危害程度。

關鍵詞：天然氣水合物；危害；生成條件；防治措施

1. 天然氣水合物的形成條件

形成水合物的首要條件是天然氣中含水處于飽和或過飽和狀態并存在游離水，其次是要有足夠高的壓力和低于水合物形成的溫度。當氣流溫度低于水合物形成的溫度時，在高壓下，天然氣水合物可以在高于0℃的條件下生成。

當天然氣中存在液態水分時，管道中所形成的液滴在流動過程中會在閥門、彎頭、三通等地方同管壁碰撞成為粉末，這些液態粉末同氣體混在一起并一同流動，黏附在管道表面上成為液態黏膜，在高壓地溫條件下，就在管壁形成一層水合物。在天然氣不斷輸送的過程中，水合物便一層層地加厚，堆積在管壁內使得管道的內徑變小，嚴重時甚至會把管道堵死。

天然氣流速和方向改變也是影響水合物生成的重要因素。在彎頭、閥門、孔板和其他局部阻力大的地方，由于壓力的變化和流向的突變，特別是節流閥、分離器入口、閥門不嚴密處及壓縮機出入口處等節流的地方，由于氣體溫度的急劇降低，會加快水合物的形成。

根據天然氣水合物的生成條件，當管道運行在天然氣水合物平衡曲線以下時，就不會形成天然氣水合物。

圖1曲線為不同相對密度的天然氣形成水合物的壓力-溫度平衡線。由圖1可知，隨著溫度的升高，水合物形成壓力變化較大。當確定了天然氣的相對密度，可以根據上圖，估算一定溫度下天然氣形成水合物的最低壓力，或一定壓力條件下天然氣形成水合物的最高溫度，從而達到預測天然氣水合物生成的目的。

在一定溫度條件下，不同密度的烴類混合物所產生天然氣水合物的形成壓力不同。含有5%乙烷和2%丙烷的天然氣形成水合物的平衡壓力可以比甲烷降低約1.15 MPa[4]。由于天然氣通常是烴類分子的混合物. 因此其形成水合物相對比甲烷容易得多。

2. 天然氣水合物的危害

在天然氣管道輸送過程中，天然氣水合物是威脅輸氣管道安全運行的一個重要因素。油氣流體通常含有大量的烴類物質和小分子氣體成分，在含水等一定壓力條件下和容易形成水合物。

能否生成水合物與天然氣組成（包括含水量）、壓力、溫度等條件有關。在天然氣運輸和加工過程中，尤其是產出氣中含有飽和水蒸汽時，天然氣通過阻力件（如節流閥、調壓器、排污閥等）后會造成壓力升高，溫度下降。氣體溫度的降低會使管路、閥門、過濾器及儀表出現結霜或結冰現象，從而降低管道的輸送效率，嚴重時甚至會堵塞管道，以導致管道上游壓力升高，引起不安全事故的發生，造成設備及人員的傷害，從而影響正常供氣。

天然氣水合物一旦形成以后，它與金屬結合牢固，會減少管道的流通面積，產生節流，加速水合物的進一步形成，進而造成管道、閥門和一些設備的堵塞，嚴重影響管道的安全運行。而消除水合物則需要大量的時間、能源、物資以及工程的調整，從而導致較大的經濟損失。據統計，防止水合物生成的費用約占生產總成本的5%-8%。因此，研究和討論天然氣在管內輸送過程中水合物的防治和處理，對保障天然氣管道的安全運行具有十分重要的實際意義。

3.天然氣水合物的防治方法

3.1 天然氣水合物的預防

控制管道內天然氣水合物的生成，是天然氣水合物防治最根本、最安全的策略。

根據天然氣水合物生成條件，對管道中的流體而言，由于流體成分相對穩定，并以一定的速度運行，因此抑制水合物的生成主要考慮溫度、壓力和含水三方面的影響。

為了抑制天然氣水合物的生成，一般有三種途徑：

（1）把輸送壓力降低到所處溫度下形成水合物的生成壓力以下；

（2）脫除天然氣中的水分；

（3）向氣流中加入抑制劑。

3.1.1 加熱法

由于節流前后溫度下降較多，提高節流前的天然氣溫度，使天然氣在節流后的溫度高于生成水合物的溫度，從而防止由于節流溫度降低而生成水合物。

3.1.2 降壓法

維持原來的溫度狀態下使輸氣管道中的天然氣壓力降低至給定溫度時水合物的生成壓力以下。

3.1.3 添加抑制法

對于集氣管線內水合物的生成，可以采取添加化學抑制劑法。在一定操作條件下向管道內注入一定量的化學添加劑，改變水合物形成的熱力學條件、結晶速率或聚集形態，來達到保持流體流動的目的。目前可采取的抑制劑類型主要有熱力學抑制劑、動力學抑制劑、防聚劑三類。

水合物熱力學抑制劑是目前廣泛采用的一種防止水合物形成的化學劑。這種抑制劑是利用抑制劑分子或離子增加與水分子的競爭力，改變水和烴分子間的熱力學平衡條件，從而使水合物的形成條件移向較低的溫度或較高的壓力范圍。常見的熱力學抑制劑有電解質水溶液（NaCI、CaCl2等無機鹽的水溶液）及甲醇、甘醇類有機化合物。一般說來，采用甲醇作抑制劑時投資費用較低，但因其氣相損失較大，故操作費用較高。采用乙二醇或二甘醇作抑制劑時投資費用較高，但操作費用低。

由于化學抑制劑在實際應用中存在諸多限制，存在環境保護和污水處理等額外費用的增加，在使用時需考慮安全性和經濟性。

3.1.4 干燥脫水法

天然氣脫水是防止集輸過程中形成水合物最有效的措施。天然氣進入輸氣管道之前應進行充分脫水，使天然氣水露點低于管線周圍介質最低溫度5-7℃，這是預防形成水合物冰堵的根本方法[5]。在天然氣生產過程中，脫水就是降低天然氣中的水汽含量，即降低天然氣的露點。

工業中廣泛使用的天然氣水合物抑制劑有甲醇和甘醇類化合物，如甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇。這類抑制劑可以有效地脫除天然氣內的水分，達到抑制水合物生成的目的。在實際應用中，目前常采用的脫水方法是二甘醇溶劑脫水和固體吸附劑脫水。

結論

本文對天然氣水合物的形成及危害防治進行了簡單的研究和介紹，分析了天然氣水合物形成的條件以及防治天然氣水合物的措施，取得下列幾點認識和體會。

（1）天然氣水合物的形成與天然氣組分和組成、壓力和溫度以及游離水的含量等因素有關。

（2）天然氣水合物嚴重影響天然氣的開采、集輸和加工的正常運轉。水合物的抑制生成主要從溫度、壓力和含水三方面著手，其中脫除天然氣中的水分，是抑制水合物生成的最根本途徑。

參考文獻：

[1]蘆金柱，王斌，周冬梅，楊振.油氣田水合物的形成與防治[J]. 石油化工腐蝕與防護，2010，05：38-41.

[2]王虹. 天然氣水合物性質及防止措施研究[J]. 西部探礦工程，2009，11：65-67.

[3]熊穎，王寧升，許深皓，丁咚，吳平. 天然氣水合物的結構特征及防治措施[J]. 油氣儲運，2008，06：48-52.